Processing and properties of thermoplastic composites containing cellulose nanocrystals or wood-based cellulose fibres
Doktorsavhandling, 2020

Cellulose nanocrystals (CNC) were surface modified with dialkylamines to increase the compatibility between the CNC and the polymeric matrix, and promising results were obtained, with a 300 % stiffness increase when the mixed dispersion was compression moulded on a laboratory scale. The manufacturing process was up-scaled using water-assisted mixing in a twin-screw extruder (TSE) followed by a second compounding step and injection moulding (IM). The composites were successfully produced using conventional melt-processing techniques but these did not show the same improvement in mechanical performance, probably due to the formation of CNC aggregates. There were indications of network formation when CNC was added, especially in the case of surface-modified CNC.

Cellulose fibres and thermomechanical pulp were used as reinforcement in similar types of polymer matrices and the mixtures were similarly processed by TSE and IM. These materials were characterized with regard to appearance and durability. The discoloration of the composites due to excessive heat during processing did not significantly affect their mechanical properties, and the addition of the cellulose-based reinforcement to the polymer did not reduce its resistance to thermo-oxidative degradation compared to that of the pure matrix. In fact, the resistance to degradation was increased when lignin was present in the reinforcing element, showing a synergistic effect together with the added anti-oxidant.

Superior properties were expected for the CNC composites compared to those of the larger cellulose fibre reinforcements, but in continuous production the stiffening effects were similar regardless of reinforcement type. These results confirm that the processing method and properties strongly affect the final properties of the composite.

Wood-based fibres

Cellulose

Injection moulding

Tensile properties

Extrusion

Cellulose nanocrystals

Composite

Thermal stability

Virtual Development Laboratory (VDL), Chalmers Tvärgata 4 C, Göteborg
Opponent: Prof. Sigbritt Karlsson, Kungliga tekniska högskolan, Stockholm, Sverige

Författare

Lilian Forsgren

Chalmers, Industri- och materialvetenskap, Konstruktionsmaterial

Surface treatment of cellulose nanocrystals (CNC): effects on dispersion rheology

Cellulose,; Vol. 25(2018)p. 331-345

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Composites with surface-grafted cellulose nanocrystals (CNC)

Journal of Materials Science,; Vol. 54(2019)p. 3009-3022

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Injection Molding and Appearance of Cellulose-Reinforced Composites

Polymer Engineering and Science,; Vol. 60(2020)p. 5-12

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The thermo-oxidative durability of polyethylene reinforced with wood-based fibres

Polymer Degradation and Stability,; Vol. 181(2020)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Forsgren, L., Venkatesh, A., Rigoulet, F., Sahlin-Sjövold, K., Westman, G., Rigdahl, M., Boldizar, A. Water-assisted extrusion and injection moulding of composites with surface-grafted cellulose nanocrystals – an upscaling study

Minskad användning av fossila material kan åstadkommas genom att i större utsträckning använda material från förnyelsebara källor eller att göra material med bättre mekaniska egenskaper för att kunna använda tunnare eller lättare konstruktioner som t.ex. kan minska bränsleförbrukningen inom transportsektorn. Kompositmaterial är en blandning av två eller flera material där egenskaperna hos de olika materialen kombineras. Polymera material, som plaster, är relativt veka material som kan förstyvas med hjälp av olika förstärkningsmaterial, tex. glasfiber eller kolfiber, för att skapa mer hållbara och starka konstruktioner med låg vikt. Båda dessa fibrer är i nuläget framställda från en fossil råvara, men cellulosafibrer från skogsindustrin har lovande egenskaper för att kunna fungera som ett förstärkningsmaterial. Cellulosa finns i alla växter på jorden och skapas av växterna via fotosyntesen. Den är lätt, stark och styv, samtidigt som den är både förnyelsebar och nedbrytbar.

Men det finns utmaningar med att använda cellulosa i plastkompositer och några av dem har behandlats i denna avhandling. Cellulosa är svår att blanda homogent med plast på grund av skillnader i hydrofila egenskaper. Dessutom är det viktigt att försöka få en stabil och pålitlig tillverkningsprocess som ger önskvärda egenskaper vid storskalig produktion.

Studien visar att den mekaniska styvheten hos materialet kan ökas med 50 - 300 % genom att tillsätta 5 - 20 % cellulosa av olika storlek och typ. Formpressade kompositer med 10 % nanokristallin cellulosa gav den bästa förstärkningseffekten, men när kontinuerliga tillverkningsprocesser användes, som extrudering och formsprutning, var förstyvningseffekten inte lika hög utan snarare i samma nivå som att använda större cellulosafibrer som förstärkning. Detta trots att cellulosafibern rent teoretiskt borde ha en klart lägre förstyvningseffekt på grund av lägre styvhet och troligvits lägre förhållande mellan längd och tjocklek. Detta visar på hur avgörande tillverkningsmetoderna och de rådande betingelserna är för egenskaperna hos de färdiga komponenterna. Försöken visade även att missfärgning på grund av höga temperaturer vid tillverkning av kompositerna inte behöver betyda en minskad mekanisk styrka hos materialet. Accelererad åldring av cellulosa kompositer visade också att tillsats av cellulosa inte minskar materialets hållbarhet mot nedbrytning på grund av värme och syre, utan snarare att en tillsats med lignininnehåll kan öka beständigheten mot nedbrytning, särskilt i kombination med tillsatta anti-oxidanter.

Ämneskategorier

Materialteknik

Bearbetnings-, yt- och fogningsteknik

Kompositmaterial och -teknik

Styrkeområden

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7905-396-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4863

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Virtual Development Laboratory (VDL), Chalmers Tvärgata 4 C, Göteborg

Online

Opponent: Prof. Sigbritt Karlsson, Kungliga tekniska högskolan, Stockholm, Sverige

Mer information

Senast uppdaterat

2020-11-25